基于操作员生理特性的无人直升机地形感知与告警设计研究

根据民用航空事故统计数据，发生可控飞行撞地事故占到了总事故数量的绝大部分。直升机由于具备垂直起降、近地机动特点，其飞行安全受环境因素影响较大。环境因素中未知地形、线塔、恶劣气象条件、夜视等都会对直升机的飞行安全造成直接影响，直升机面临的可控飞行撞地形势日益严峻。2005年，国际直升机安全组为避免直升机发生可控飞行撞地事故提出了一系列改进方法，包括改善座舱交互界面、降低飞行员负担、提供障碍物三维视景画面、加装地形提示告警系统帮助飞行员识别和规避障碍物等。2006年，FAA规定救援直升机必须配装直升机地形提示与告警设备，随后的统计结果表明，TAWS装机之后医疗救援直升机的事故发生概率降低了28.6%。2018年11月的一项联合测试结果显示，TAWS能够使直升机安全性至少提高40%。

由于地面站操作人员缺乏对无人直升机所处环境的直接感知，再叠加通信延迟等不利影响，难以对危险态势作出及时响应。有必要对TAWS在无人直升机上的应用进行研究，通过地面控制站的告警显示，提醒操作人员采取动作、避免可控飞行撞地事故发生。

TAWS功能介绍

TAWS包含近地告警（GPWS）告警功能、前视地形告警（FLTA）告警功能，可根据直升机侵入告警外边界、内边界的程度，提供注意、警告两个等级的告警提示。

近地告警主要是提供“下视”告警功能，包括下降率过大、地形接近率过大、起飞/复飞后掉高过大、高度提示、侧倾角过大、俯仰角过大等模式。首先梳理与近地告警相关的性能指标，如加速能力、爬升率、下降率，作为建立告警边界设计的基准点。在基准点限制的范围内选取若干设计点、计算每个设计点的告警边界值，处理后得到实用的GPWS告警边界。

前视地形告警主要提供“前视”告警功能，可实现地形以及障碍物的预测式防撞告警。该功能利用输入的飞行数据及携带的数据库，发出语音和指示灯告警。根据直升机姿态信息以及飞行阶段，结合改出轨迹预测告警算法，在其前方空间内形成一个虚拟的三维告警边界，同时结合位置信息、地形数据库提供的地形数据，实时比对告警边界与地形、障碍物、高压线碰撞的周边地形的空间位置关系，当告警边界与周边地形触碰时即触发告警。

无人直升机地形感知与告警设计

操作人员主要通过地面站实现对无人机的飞行监控和操纵控制，因此TAWS告警设计主要针对地面控制站飞行监控席位。TAWS告警设计时应考虑以下因素：

（1）由于操作人员聚焦于任务，孤立的视觉告警可能会被忽视；

（2）需仔细平衡地形告警虚警率与触发阈值，避免操作员跳过或者关闭告警系统；

（3）地形告警应能够被抑制与确认，避免影响操作人员后续操作；

（4）TAWS警告级告警应提供20秒预警时间，注意级告警应提供30秒预警时间，便于操作人员感知并处置。

告警形式

根据告警设计基本要求，可控飞行撞地意味着直升机暴露在外部危险/威胁中，应设置相应的告警。无人机操作员由于任务需要其视线可能会离开显示器，因此视觉告警一般不推荐用于时间紧急的警告信息，但是可用于更具有持续性、低优先级的信息或者作为高优先级告警信息听觉告警的补充。听觉作为比视觉更少受空间限制的感觉形态，听觉告警在高优先级告警上的应用更广。

因此考虑操作员视距、听觉特性，确定TAWS告警采用听觉告警为主、视觉告警为辅的告警形式。

根据无人直升机侵入TAWS告警边界的程度，TAWS提供两种级别的告警（警告级、注意级），以及无线电高度提示。地形告警触发后，触发听觉告警，同步在地面站飞行监控页面以闪烁的字符显示视觉告警内容，警告级为红色，注意级为黄色，无线电高度提示仅具有听觉告警。在TAWS告警子页面，设置语音静默、告警抑制等按键选项。

视觉告警

视觉告警的设计需要吸引操作员注意力，而不妨碍对其他视觉信息的感知。

根据操作员视觉特性、仪表布局要求和告警设计要求，综合考虑操作员对视觉告警项的辨认清晰度、速度，视觉告警项应安装在操作员设计眼位为顶点、对称于从设计眼位延伸到显示器顶部中心轴线的30°视锥内，以便于操作员无需转动头部就可以获取视觉告警信息。

一项关于人员眼动轨迹的研究（Class A HTAWS Warning Annunciation）表明，操作人员眼睛通过一系列主动地、有顺序的扫视活动，直到找到需要注视的信息。下图为操作人员采用“半风筝形”或者“风筝形”扫视轨迹及重点关注区域。具体到TAWS页面设计中，应将视觉告警显示区域尽量靠近主要观察区域，尤其是在姿态指示器周边。

听觉告警

听觉告警包括语音告警、音调告警，或者二者综合设计形式。语音告警的优势在于可传达复杂信息，且不需要提前学习，但是需要较长时间理解、容易被掩盖。音调告警的优缺点与语音告警相反，可以短时间内传达信息、加快反应时间，可以听得更准确、减少噪音掩盖下生误听的概率，在高负荷情况下易被操作员捕获，但缺点是需要提前学习，且音调告警数量不建议超过6种。

综合两种听觉告警优缺点，TAWS听觉告警采用音调（前奏）+语音告警形式。在语音告警音前插入一个特殊的音调，增加显著性、区别性，一方面便于操作员快速反应，另一方面有助于区分地面站内噪音或者其他告警音。

听觉告警内容方面，对于警告级告警，若处置措施是明确的，则建议直接通过听觉告警告知处置程序，若处置措施需要根据情况确定，则应告知操作员告警原因。对于注意级告警，通过听觉告警告知操作员告警原因。

总结与展望

TAWS发展至今，功能不断改进，在防止可控飞行撞地方面取得了显著地成效。即使如此，TAWS在无人直升机上的应用还需要进一步研究。现阶段TAWS系统只作为单纯的、独立的告警系统，缺少对前方环境的主动感知，没有与飞控系统的闭环控制回路进行交联，因此存在潜在地形冲突/威胁时，需要操作员感知并进行应急处置，而不能自行规避。受限于机载地形数据精度，无人机无法及时获取最新的地形数据，同样存在一定的安全隐患。

随着未来先进光电/雷达传感器技术、飞行器综合环境监视技术、智能避障算法的发展，结合无人机自主化等级的提升，为无人机实现主动探测、智能决策、自主避障功能提供坚实基础，切实提升无人直升机综合避障能力。